周 鋒 王懷江 李 剛 王富強(qiáng)

(1.遵義鋁業(yè)股份有限公司， 貴州 遵義 563100; 2.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110001)

0 前言

隨著國家雙碳雙控和階梯電價政策的逐步實施[1-2]，以及鋁價和原材料價格的上漲，國內(nèi)的鋁電解企業(yè)既面臨較大生存壓力，也迎來了近十多年來難得的盈利機(jī)遇期。為了解決企業(yè)生存困境和節(jié)約運(yùn)營成本，各鋁廠都開始采取多種節(jié)能技術(shù)以降低噸鋁電耗[3]，而實現(xiàn)的前提則是保持電解系列生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性。電解系列的穩(wěn)定生產(chǎn)與多方面因素有關(guān)，而車間的日常操作管理則主要圍繞電解槽熱平衡展開。穩(wěn)定、均勻的電解槽熱平衡對電解系列取得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)至關(guān)重要[4]。

某公司350 kA電解槽長期存在熱平衡差異性大的問題，主要體現(xiàn)在出鋁端上部易冒煙、爐幫薄、伸腿短，而煙道端沉淀多、爐幫厚、伸腿長，實測出鋁端槽溫比煙道端偏高6 ℃；且電解槽個體之間的熱平衡存在較明顯差異，很難用一套生產(chǎn)技術(shù)條件來管理全系列，給車間的生產(chǎn)操作和組織管理帶來較大困擾。

針對上述情況，本文從鋁電解工藝和電解槽設(shè)計理論入手診斷槽況，找出問題的主要原因，并借助數(shù)值模擬技術(shù)深入解析電解槽熱場以制定優(yōu)化方案，再通過現(xiàn)場在線改造和工藝技術(shù)參數(shù)調(diào)整來解決電解槽熱平衡差異性大的問題。

1 槽況診斷與對策

在電解槽散熱結(jié)構(gòu)分布中，槽上部散熱約占全槽總散熱量的2/3[4]，均從覆蓋料上表面散入槽膛內(nèi)；其中有一半熱量通過電解槽排煙帶走進(jìn)入凈化系統(tǒng)，另一半通過槽上部的金屬結(jié)構(gòu)(槽罩板、大梁等)散入車間內(nèi)，由廠房通風(fēng)帶走。由此可見，槽上部散熱對各槽之間熱平衡、單槽內(nèi)熱平衡是否均勻分布有至關(guān)重要的影響[5]。

調(diào)節(jié)槽上部散熱主要有兩個手段，一是加強(qiáng)覆蓋料管理，二是排煙優(yōu)化。然而，覆蓋料成分、厚度的改變牽涉方面太多，周期太長，且工作量較大，對電解系列的生產(chǎn)組織和管理影響較大。而排煙優(yōu)化操作簡單靈活，效果顯著，短期內(nèi)即可實現(xiàn)對全系列和單槽熱平衡的調(diào)節(jié)控制，不僅可以解決電解槽熱平衡的均勻性，也能實現(xiàn)槽膛內(nèi)的風(fēng)壓均衡，提高電解槽密閉效率，降低氟化鹽單耗，改善車間環(huán)境[6-7]。由此可見，優(yōu)化排煙是解決電解槽熱平衡分布失衡的關(guān)鍵。

經(jīng)專家現(xiàn)場測試和聯(lián)合診斷，判斷造成該問題的主要原因在于支煙管閥門不能均勻控制每臺電解槽的排煙量，導(dǎo)致各臺槽排煙帶走的熱量偏差較大，使得電解系列的熱平衡分布未能趨于一致；另外，電解槽煙道集氣性能偏低，且煙道內(nèi)易積灰，導(dǎo)致槽上部集氣和散熱不均勻，使得出鋁端集氣量和散熱量偏少，而煙道端集氣量和散熱量較多，進(jìn)而導(dǎo)致槽膛內(nèi)的熱平衡分布不均勻。因此，確定通過排煙調(diào)節(jié)對電解槽進(jìn)行在線改造，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化電解槽熱平衡均勻性的目的，具體方案如下：

1)通過設(shè)置孔板來代替支煙管閥門，借助支煙管模型計算每塊孔板的孔徑，依靠孔板的孔徑變化來均衡每臺槽的排煙量，進(jìn)而減少電解系列各槽之間排煙量和散熱量的差異。

2)借助槽上部熱平衡模型研究槽膛內(nèi)部的風(fēng)壓和溫度分布規(guī)律，通過改變煙道進(jìn)風(fēng)孔和漏料口尺寸來調(diào)整槽膛內(nèi)的風(fēng)壓分布狀況，解決煙道積灰、密閉效率偏低和槽上部散熱不均勻的問題，同時改善電解車間內(nèi)的工作環(huán)境，降低氟化鹽單耗。

2 熱平衡優(yōu)化方案

2.1 槽間排煙均勻性優(yōu)化

電解槽一般通過支煙管閥門控制調(diào)節(jié)排煙量，但由于閥門控制精度不高，再加上人為干擾，槽間排煙量分布差異性較大。借助支煙管模型可以較準(zhǔn)確地模擬出匯總管上各臺電解槽支煙管的排煙量，通過設(shè)置不同孔徑的孔板來替代閥門的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而達(dá)到均勻車間內(nèi)各臺電解槽排煙量的目的[8]。支煙管優(yōu)化后的煙氣流速和槽間排煙偏差分別如圖1、圖2所示。

由支煙管模型的計算結(jié)果可知，在優(yōu)化方案中，通過合理的孔板設(shè)置，可以保證9根支煙管的排煙量理論偏差介于±4%以內(nèi)，管路系統(tǒng)阻力為113 Pa。最遠(yuǎn)端的1#支煙管沒有孔板，支煙管直徑最大，為610 mm；最近端的9#支煙管的孔板孔徑最小，為400 mm。在該孔板優(yōu)化方案中，當(dāng)凈化風(fēng)量在合理范圍(4 000～7 000 Nm3/h)內(nèi)變化時，槽間排煙分布偏差仍然介于±4%以內(nèi)，說明槽間排煙均勻性分布趨勢基本保持穩(wěn)定。

2.2 單槽排煙均勻性優(yōu)化

國內(nèi)鋁廠普遍存在電解槽集氣性能較差、煙道內(nèi)粉塵易堆積且不易清理的特點(diǎn)，導(dǎo)致電解槽上部經(jīng)常出現(xiàn)遠(yuǎn)端易冒煙顯熱而近端趨冷的現(xiàn)象[5]。借助槽上部熱平衡模型定量分析槽膛內(nèi)的流場與溫度場分布，通過調(diào)整集氣孔和底部漏料口的尺寸和數(shù)量來優(yōu)化槽膛內(nèi)的風(fēng)壓均衡性，解決煙道積灰和電解槽集氣、散熱的均勻性問題[9]。煙道優(yōu)化前后的模擬結(jié)果見圖3～5所示。

在原設(shè)計的煙道結(jié)構(gòu)中，出鋁端的集氣孔直徑最大為120 mm，而煙道端最小孔徑為35 mm，依靠懸殊的集氣孔直徑差距調(diào)節(jié)電解槽兩端的風(fēng)壓均衡必然造成較大的煙道阻力，且一旦出現(xiàn)煙道內(nèi)積灰堵塞煙氣流動通道時，槽膛內(nèi)的風(fēng)壓分布也將顯著失衡。由計算結(jié)果可知，原設(shè)計煙道阻力理論值102 Pa，槽罩板間縫處的進(jìn)風(fēng)量偏差為±11%，煙道的集氣性能偏低。

優(yōu)化后，電解槽煙道阻力理論值為77 Pa(降幅25%)，進(jìn)風(fēng)量偏差為-6%～5%，煙道的集氣性能得到顯著提升。增設(shè)的煙道底部漏料口，既能起到微調(diào)進(jìn)風(fēng)量的作用，也可解決煙道內(nèi)的粉塵堆積問題。因此，煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后必將顯著提升電解槽的密閉效率和槽上部熱平衡的均勻性。

3 電解槽熱平衡優(yōu)化與效果

3.1 槽間排煙均勻性優(yōu)化

根據(jù)支煙管優(yōu)化方案，制作孔板并現(xiàn)場安裝。先拆下舊閥門，并拆除閥門中的軸和翻板，將閥體的外直管利舊；然后將閥門外直管放置回原位，并同時塞入孔板(厚度5 mm)，把接螺栓緊固。在煙道端槽罩板中間開5 cm圓孔，用風(fēng)速儀測量槽外進(jìn)入槽膛內(nèi)的風(fēng)速，進(jìn)而對比優(yōu)化前后電解槽的實際槽間排煙偏差，結(jié)果如圖6所示。

由于支煙管優(yōu)化方案基于理想化的模擬結(jié)果，電解槽實際生產(chǎn)中存在槽罩板破損、火眼開度不一、槽電壓和槽溫差異大等許多不利因素，這些因素會影響槽間排煙偏差的均勻性。實測數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化前后2419#～2427#電解槽的實際槽間排煙偏差介于±10%以內(nèi)，與優(yōu)化前的偏差-23%～30%相比，有較明顯改善，由此證明優(yōu)化后車間內(nèi)各臺電解槽之間的排煙量分布趨于均勻。

3.2 單槽排煙均勻性優(yōu)化

車間根據(jù)煙道優(yōu)化方案，制定詳細(xì)的煙道在線改造方案、安全保障制度和質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)。選取2419#～2427#共9臺槽進(jìn)行槽膛內(nèi)集氣均勻性現(xiàn)場測試，以對比煙道優(yōu)化前后的實際效果。與槽間排煙均勻性測試方法相似，沿電解槽長度方向在大面槽罩板中間開6個直徑5 cm的圓孔，圓孔位置與6根立柱母線位置對應(yīng)，用風(fēng)速儀依次測量圓孔的入口風(fēng)速，結(jié)果如圖7所示。

實測煙道優(yōu)化前的槽膛內(nèi)集氣偏差為-52%～30%，煙道優(yōu)化后則為-7%～5%，煙道的集氣性能提升顯著，且改造后的煙道內(nèi)長期無明顯積灰，不再需要清灰作業(yè)，大幅減少了工人的工作量。與煙道改造前相比，改造后廠房內(nèi)視野清晰，光線明亮，出鋁端無明顯冒煙，車間環(huán)境得到顯著改善。

實測熱平衡優(yōu)化后的電解槽出鋁端槽溫平均值為942 ℃，煙道端溫度為939 ℃，出鋁端槽溫比煙道端偏高3 ℃，較熱平衡優(yōu)化前的兩端槽溫偏差(6 ℃)降低了3 ℃；且煙道端沉淀顯著減少，出鋁端與煙道端的爐幫厚度基本相當(dāng)。由此可知，排煙優(yōu)化后，系列槽況趨于統(tǒng)一；電解槽沿長度方向的熱平衡分布趨于均衡，有效提升了電解槽熱平衡的均勻性與穩(wěn)定性，大幅減少了電解車間的生產(chǎn)管理難度，為電解系列下一步采取節(jié)能降耗措施奠定了堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

因煙道結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致電解槽密閉效率偏低、煙道內(nèi)部易積灰且難清理是國內(nèi)鋁廠普遍存在的共性問題，由此引發(fā)的電解槽熱平衡分布不均勻、槽況類型偏多且工藝技術(shù)條件難統(tǒng)一、電解車間無組織排放嚴(yán)重和氟化鹽單耗偏高等問題對電解系列的穩(wěn)定生產(chǎn)造成較大影響。在精準(zhǔn)診斷槽況的基礎(chǔ)上，借助支煙管模型和槽上部熱平衡模型制定實施方案，通過在線改造槽上部排煙狀況優(yōu)化電解槽熱平衡均勻性，為其他鋁廠提供可靠的借鑒經(jīng)驗。電解槽熱平衡均勻性的優(yōu)化及實踐效果總結(jié)如下：

1)通過支煙管模型設(shè)置不同孔徑的孔板，提升槽間排煙均勻性，實測槽間排煙偏差由-23%～30%降至±10%以內(nèi)，解決了電解系列各槽之間的熱平衡差異性問題，有利于槽況分布的統(tǒng)一，以及車間生產(chǎn)操作的組織與管理。

2)通過改變煙道進(jìn)風(fēng)孔和漏料口尺寸來調(diào)整槽膛內(nèi)的風(fēng)壓分布狀況，提升了單槽排煙均勻性，實測槽膛內(nèi)的集氣偏差由-52%～30%降至-7%～5%，煙道內(nèi)無明顯積灰，電解槽密閉效率和車間環(huán)境質(zhì)量改善明顯，有利于降低氟化鹽單耗。

3)電解槽排煙優(yōu)化顯著改善了槽上部集氣和散熱的均勻性，實測出鋁端與煙道端的槽溫偏差由6 ℃降至3 ℃，煙道端沉淀明顯減少，兩端部爐膛內(nèi)形相當(dāng)，電解槽熱平衡均勻性得到顯著提升，為實現(xiàn)電解系列的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。